Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разломные структуры и особенности геологического строения и тектоники срединного Тянь-Шаня
1.1. История исследования разломов Средней Азии 15
1.2. Таласо-Ферганский разлом 20
1.3 .Линия Николаева 23
1.4.Геологическое строение и особенности тектоники 27
Выводы к главе 1 37
Глава 2. Проявление зоны таласо-ферганского разлома и линии николаева в геофизических полях
2.1.Общая геофизическая характеристика 38
2.1.1. Гравитационное поле 38
2.1.2. Магнитное поле 40
2.1.3. Сейсмотомография 43
2.1.4. Тепловой поток 45
2.1.5. Поле поглощения скоростей 47
2.1.6. Особенности сейсмичности Киргизского Тянь-Шаня 48
2.2. Геоэлектрическая изученность 54
2.2.1. Развитие магнитотеллурических исследований на Бишкекском прогностическом полигоне
2.3. Характеристика удельного электрического сопротивления горных пород Киргизского Тянь-Шаня 65
Выводы к главе 2 67
Глава 3. Качественная интерпретация магнитотеллурических данных
3.1. Стандартный метод обработки магнитотеллурических данных . 69
3.2. Пространственная характеристика тензора импеданса 72
3.2.1. Построение и анализ полярных диаграмм 72
3.2.2. Главные направления и главные значения тензора импеданса 84
3.2.3. Параметризация импеданса 89
3.3. Характеристика матрицы Визе-Паркинсона 94
3.4. Анализ карт и разрезов кажущихся сопротивлений и фаз 99
3.5. Морфология ориентированных кривых кажущегося сопротивления 103
3.6. Построение стартовой модели структуры электропроводящих объектов 112
Выводы к главе 3 113
Глава 4. Глубинная геоэлектрическая структура зоны Таласо-Ферганского разлома и линии Николаева
4.1.Традиционная схема количественной двумерной магнитотеллурической интерпретации
4.2. Трехуровневый алгоритм двумерной инверсии MB и МТ-данных 116
4.3. Методика последовательных частичных инверсий для определения глубинного строения разломных зон 120
4.4. Двумерная модель глубинной геоэлектрической структуры по региональному Таласскому профилю (VI-VI) 124
4.5. Двумерная модель глубинной геоэлектрической структуры по локальному Торкентскому профилю (а-а) 132
4.6. Двумерная модель глубинной геоэлектрической структуры по локальным профилям Карасуйскому (b-b), Кекиримскому(а%(1), Алайку-Арпинскому (е-е)- (f-f) 138
4.7. Двумерные модели геоэлектрического глубинного строения по участкам региональных профилей - Кекемеренского 1-І и Сонкульского II—II 141
4.8. Основные результаты 2D моделирования 143
Выводы к главе 4 152
Глава 5. Современная геодинамика и глубинное строение киргизского Тянь-Шаня
5.1. Современная геодинамика Тянь-Шаня 153
5.2. Глубинная структура Таласо-Ферганского разлома 162
5.3. Глубинная структура Линии Николаева 169
5.4. О природе проводящих слоев в земной коре и верхней мантии 171
Выводы к главе 5 180
Заключение 182
Литература 184
- Таласо-Ферганский разлом
- Гравитационное поле
- Пространственная характеристика тензора импеданса
- Трехуровневый алгоритм двумерной инверсии MB и МТ-данных
Введение к работе
Объектом исследования данной работы является глубинная структура крупнейших разломных зон Киргизского Тянь-Шаня - зоны Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева (до 75), анализируемая на предмет отражения современных геодинамических процессов в морфологии региональных тектонических нарушений, выделяемых по результатам глубинных электромагнитных зондирований.
Магнитотеллурическое зондирование (МТЗ) является одним из наиболее глубинных геофизических методов и позволяет проводить исследования в диапазоне глубин от первых десятков метров до сотен километров. К настоящему времени на территории Киргизского Тянь-Шаня выполнено свыше 600 зондирований. Пристальное внимание к зоне Таласо-Ферганского разлома связано с обнаружением «эффекта вытеснения поперечного тока» в данном регионе [Баталев и др., 2002; 2003] и выявлением аномалии электропроводности [Баталева и др., 2004; 2005], пространственно приуроченной к этой зоне.
Общепризнано, что роль крупных разломных зон (сдвигов) в эволюции Тянь-Шаня является определяющей, однако и сейчас остается немало нерешенных задач о связи глубинного строения зон разломов и современной геодинамики. До недавнего времени использование методов магнитотеллурического зондирования для детализации глубинной структуры разломных зон было практически невозможно, поскольку:
- недостаточно использовался магнитовариационный метод, так как не была доказана
теорема единственности решения обратной задачи МВЗ для двумерного случая;
- не применялась высокоточная аппаратура, вследствие чего определений фаз
импеданса и типперов с высоким качеством в необходимом объеме было недостаточно;
методики интерпретации данных МТЗ, опирающиеся на фазы импеданса и типперы, то есть, компоненты магнитотеллурических полей, не подверженные статическим смещениям, не были совершенными;
не было программных средств для инверсии компонент магнитотеллурического поля, позволяющих создавать детальные модели геоэлектрического строения среды,
- отсутствовали современные сейсмотомографические модели для комплексной
интерпретации геофизических данных.
На основе вышеизложенного актуальность исследования определяется необходимостью применения новых современных подходов для определения глубинного строения разломных зон и земной коры в целом, и в частности: использованием магнитотеллурических методов в комплексе с другими методами геофизики и геологии, использованием новых информационных технологий, современной высокоточной аппаратуры, более совершенных методик. Изучение глубинных разломных зон дает ключ к пониманию характера тектонических движений, сейсмической активности, флюидного режима, локализации месторождений полезных ископаемых. Однако традиционные подходы уже не устраивали возросшие потребности науки и практики, требовалась методика, позволяющая определять глубинное строение тектонических нарушений с высокой разрешающей способностью, способная не только детализировать уже выявленные разломные зоны, но и определять скрытые активные тектонические нарушения, а также проводить интерпретацию тех магнитотеллурических данных, которые полученны в условиях сильного влияния приповерхностных неоднородностей (в горных районах, в условиях вечной мерзлоты).
Цель исследования - адаптация методики последовательных частичных инверсий для количественной интерпретации данных МТЗ-МВЗ к реальным условиям Тянь-Шаня и построение геодинамической модели региона с использованием в качестве базисного метода для определения глубинной структуры разломных зон магнитовариационного зондирования (МВЗ).
Для достижения поставленной цели решались следующие научные задачи:
Детализировать геоэлектрическое строение земной коры части Киргизского Тянь-Шаня для выявления глубинной структуры зоны Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева.
Определить влияние геодинамических процессов на формирование активных структур Тянь-Шаня, отражающееся в глубинных геоэлектрических характеристиках и морфологии этих структур.
Задачи решались в несколько этапов:
- адаптация методики последовательных частичных инверсий для детализации и определения глубинного геоэлектрического строения реальных разломных зон с использованием новых программ 2D инверсии, разработанных И.М. Баренцевым и Н.Г. Голубевым (2002) и экспериментальных данных, полученных с помощью магнитотеллурического комплекса МТ-ПИК (Ильичев и др., 2000);
определение параметров коровых проводящих зон (электропроводность, мощность, глубина залегания кровли) для южной части Таласо-Ферганского разлома и разломной зоны Линии Николаева;
построение глубинной геодинамической модели зоны Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева на основе корреляции геологических и геофизических данных;
- сопоставление полученной геодинамической модели с результатами
палеомагнитных исследований, данными GPS, и сейсмотомографическими моделями
данного региона.
Фактический материал, методы исследования и аппаратура. Теоретической основой решения задач магнитотеллурики является теория электромагнитной индукции, часть принципов которой заложено в модели Тихонова-Каньяра (в качестве источника рассматривается плоская электромагнитная волна, вертикально проникающая в слоистое полупространство; горизонтальные компоненты магнитного поля, возбуждаемые плоской волной, не должны изменяться вдоль земной поверхности), получившей дальнейшее развитие в работах Т.Маддена, М.Н. Бердичевского, Л.Л. Баньяна, М.С. Жданова. Последним достижением в развитии теоретических основ магнитотеллурики является теорема единственности решения обратной задачи МВЗ для двумерного случая, доказанная В.И. Дмитриевым (2003).
В основу модельных расчетов работы положены:
- материалы более 200 зондирований, выполненных методом МТЗ - МВЗ в зоне
Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева,
- результаты региональных магнитотеллурических исследований [Рыбин, 2001;
Баталев, 2002].
Для сопоставления использовались: -структурно-геодинамические обобщения [Макаров, 1977; Чедия, 1986; Буртман, 1987, Dobretsov et al., 1996, Buslov et al., 2003];
результаты палеомагнитных исследований [ Томас, 1993; Баженов 1997, 2004]; -результаты сейсмотомографических исследований Т.М. Сабитовой и А.А. Адамовой [2001; 2004];
результаты работ GPS [А.В.Зубович, 2003,2005; Б.Дж.Миди, Б.Х. Хагер,2001].
Основные методы исследований - магнитотеллурическое и магнитовариационное зондирования, которые выполнялись с помощью аппаратуры -
МТ-ПИК, LIMS и EMI МТ-24, Phoenix MTU-5. В ранних работах (1982-1999 гг.) зондирования проводились станциями ЦЭС-2 и ИЗМИРАН-5. Для обработки материалов зондирований МТ-ПИК использовался стандартный программный комплекс ЭПАК (ВНИИГеофизика, г. Москва), адаптированный и модернизованный для персональных компьютеров А.К. Рыбиным [Рыбин, 2001]. Для построения двумерных моделей геоэлектрического строения среды применялись программы II2DFF инверсии МТ - данных, разработанные И.М. Варенцовым и Н.Г. Голубевым (2002).
Защищаемые положения и научные результаты:
1. Адаптирована и усовершенствована методика количественной интерпретации данных МТЗ-МВЗ по методу последовательных частичных инверсий для определения глубинного строения реальных разломных зон Тянь-Шаня. На этой основе рассчитаны двумерные модели геоэлектрического строения крупнейших разломных зон западной части Тянь-Шаня.
2. Глубинная структура зоны Таласо-Ферганского разлома представляет собой комбинацию высокоомного ядра в центре и проводящих зон листрической формы, полого погружающихся к юго-западу от зоны ТФР до глубин 40-45 км и северо-востоку - до глубин порядка 25-30 км.
Линия Николаева проявляется в виде комбинации двух круто погружающихся на юг электропроводящих тел, образующих на глубине 6-8 км единое тело.
3. В Юго-Западном Тянь-Шане выявлена дугообразная в плане структура, имеющая в глубинном разрезе листрическую форму, с погружением к центру Ферганского блока до 40-45 км. Установлено соответствие глубинной границы Ферганского блока, вдоль которой происходит его вращение против часовой стрелки, юго-западной части аномалии электропроводности зоны Таласо-Ферганского разлома.
4. В Северо-Восточном Тянь-Шане электропроводящие зоны Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева формируют комбинацию структур правостороннего сдвига и оперяющих взбросовых структур.
Новизна работы. Личный вклад
1. Автором адаптирована методика последовательных частичных
инверсий,использованная М.Н. Бердичевским в модельных экспериментах
[Бердичевский и др. 2003] для детализации и определения глубинного строения
реальных разломных зон, с использованием современных программных средств
автоматизированной инверсии, разработанных И.М. Баренцевым и Н.Г. Голубевым
(2002), и применением в полевых измерениях высокоточной аппаратуры МТ-ПИК,
разработанной в Научной станции РАН (Ильичев и др., 2000).
2. С использованием методики последовательных частичных инверсий
детализирована и построена геоэлектрическая модель глубинной структуры
крупнейших разломных зон (Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева)
западной части Киргизского Тянь-Шаня.
3. По результатам 20-моделирования магнитотеллурических данных в зоне
Таласо-Ферганского разлома выявлена аномалия электропроводности, установлено, что
глубинная структура зоны Таласо-Ферганского разлома представляет собой
комбинацию высокоомного ядра и проводящих зон листрической формы, полого
погружающихся к юго-западу от зоны ТФР до глубин 40-45 км и северо-востоку - до
глубин порядка 25-30 км. На основании данных магнитотеллурического зондирования,
полученных по 8 профилям, секущим зону Таласо-Ферганского разлома по всей
территории Киргизского Тянь-Шаня (за исключение труднодоступных высокогорных
районов), протяженность аномальной зоны оценивается в 250 км, ширина по верхней
кромке меняется от 50-60 км на северо-западе до 10-15 км на юге. В плане аномалия
электропроводности имеет дугообразную форму.
4. С помощью адаптированной методики последовательных частичных
инверсий, детализированы участки аномалии Таласо-Ферганского разлома,
являющейся комбинацией наклонных и субвертикальных электропроводящих зон,
которые распространяются от корового проводящего горизонта к поверхности. По
характеристикам и морфологии субвертикальных зон эта аномалия разделена на 3 звена
- Таласское, Центральное и Южное. Для Южного звена ТФР, на основе
предложенного подхода и сопоставления геоэлектрических данных по южному звену
ТФР с сейсмотомографическими, палеомагнитными и GPS-данными, сделано
заключение об ограничении глубинной границы восточной части Ферганского блока аномалией электропроводности.
5. Использование методики последовательных частичных инверсий для
исследования геоэлектрического строения зоны Линии Николаева выявило, что она
проявляется в виде комбинации двух проводящих тел в форме "V". Они круто
погружаются на юг и образуют единое проводящее тело, начиная с глубин около 6-8
км, которое прослеживается до глубин около 25-30 км и сливается с
субгоризонтальным коровым слоем.
6. Установлено, что в региональном масштабе электропроводящие слои Северо-
Восточного Тянь-Шаня формируют листрическую структуру, в которой проводящая
зона Таласо-Ферганского разлома является правосторонним сдвигом, а в районе Линии
Николаева представлена оперяющими взбросами, что в совокупности подтверждает
представление о тектонической расслоенности Тянь-Шаня и надвигание его на
Таримскую впадину.
Теоретическая и практическая значимость работы. Проведенные исследования показали, что использование методики последовательных частичных инверсий, адаптированной для изучения реальных разломных зон с привлечением новых программных средств и высокоточных данных по фазам импеданса и типперам, расширяет возможности магнитовариационного зондирования и повышает достоверность интерпретации результатов. Эта методика может быть успешно применена при геоэлектрических исследованиях в районах, имеющих незначительную проводимость осадочного чехла и хорошо выраженные геоэлектрические неоднородности в земной коре.
В 2004 году методика была успешно реализована в районе Чуйской впадины, Республика Алтай. При исследовании глубинного строения эпицентральной зоны разрушительного Алтайского (2003г) землетрясения методом МТЗ с использованием методики последовательных частичных инверсий, был выделен внутрикоровый проводящий горизонт на глубинах 20-30 км с проводимостью около 2000 См, а также субвертикальные и наклонные проводящие тела, соответствующие крупным разломным зонам, пересекающим земную кору до глубин около 20 км. Результаты интерпретации магнитотеллурических данных подтвердило картирование, выполненное геологами (Бондаренко П.М., Дельво Д., Буслов М.М. и др.), кайнозойских тектонических нарушений региона.
Представления о современной глубинной структуре крупнейших разломных зон может быть использовано для геодинамических построений и заключений, как по территории Тянь-Шаня, так и в соседних регионах. Форма аномалии электропроводности может способствовать выявлению закономерностей в проявлении смещений или вращений блоков земной коры.
Несомненным достоинством методики, примененной в диссертации, является возможность выявления глубинной структуры земной коры, что в сочетании с другими методами (GPS, структурным анализом) позволяет контролировать проявления сейсмичности внутриконтинентальных орогенических зон.
Апробация работы и публикации. Основные результаты выполненных исследований докладывались на всероссийских и международных конференциях: Втором международном симпозиуме «Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов» (Бишкек, 2002), Втором казахстано-японском семинаре по предотвращению последствий разрушительных землетрясений (Алматы, 2002), международной конференции «Проблемы сейсмологии Ш-тысячелетия» (Новосибирск, 2003), Всероссийском совещании «Напряженное состояние литосферы, ее деформация и сейсмичность» (Иркутск, 2003), Пятом казахстано-китайском международном симпозиуме «Современная геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии» (Алматы, 2003), XXXVII Тектоническом совещании (Новосибирск, 2004), XXXVIII Тектоническом совещании (Москва, 2005), казахстано-российской международной конференции «Геодинамические, сейсмологические и геофизические основы прогноза землетрясений и оценки сейсмического риска» (Алматы, 2004), международной научной конференции «Современная геодинамика и геоэкология Тянь-Шаня» (Бишкек, 2004), 23rd General Assembly of the IUGG (Sapporo, Japan, 2003), Fifth International Conference "Problems of Geocosmos" (Saint-Petersburg, 2004), 19th Himalaya-Karakorum-Tibet Workshop (Hokkaido, Japan, 2004), 1st General Assembly European Geosciences Union (Nice, France, 2004).
По теме диссертации опубликовано 32 работы с участием автора, из которых статьи в российских изданиях - 3, статьи в зарубежных изданиях - 6, коллективная монография - 1, материалы международных конференций, симпозиумов, совещаний -15 (6 - Россия, 3 - Япония, 2 - Франция, 1 - Индия, 2- Казахстан, 2 - Киргизия).
Выполненная работа является частью программ научных исследований Лаборатории глубинных магнитотеллурических исследований Научной станции РАН в г. Бишкеке, а именно:
подраздел 6.3. Из направлений фундаментальных исследований РАН на 2003-2005 гг. по теме «Изучение глубинного строения Центрального Тянь-Шаня, Казахской платформы и Алтая по комплексу геофизических методов»;
Целевая программа Минобрнауки РФ: "Геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорного Тянь-Шаня" 2002-2005 гг.;
- Международный проект «Геофизические исследования по созданию
межрегиональной системы магнитотеллурического мониторинга сейсмоактивных
районов Центральной Азии на базе аппаратуры Phoenix MTU-5D System 2000» с
участием корпорации Phoenix Geophysics Limited и Научной станции РАН в г. Бишкеке
2002-2006 гг.;
Программа 5 ОНЗ РАН "Глубинное строение Земли, геодинамика, магматизм, взаимодействие геосфер"2004-2006 гг.;
проект "Изучение пространственно-временного распределения деформаций на территории Бишкекского полигона комплексом методов" 2004-2006 гг.;
Соглашение о научно-техническом сотрудничестве между Научной станцией РАН и Калифорнийским университетом в Риверсайде о проведении совместных магнитотеллурических исследований в пределах Тянь-Шаньского региона 2003-2008 гг.
Структура работы: диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава содержит краткий обзор представлений о строении зоны Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева и геологический очерк центральной и южной части Киргизского Тянь-Шаня, в котором рассмотрены геологическая характеристика земной коры региона, тектоника, структурные этажи, формации.
Во второй главе дана краткая характеристика проявления разломных зон Таласо-Ферганского разлома и Линии Николаева в геофизических полях, подробно описан геоэлектрический комплекс наблюдений, созданный и функционирующий на Бишкекском геодинамическом полигоне, дана характеристика удельного сопротивления пород исследуемого региона.
Третья глава работы посвящена описанию методики обработки данных магнитотеллурического и магнитовариационного зондирования, приведены основные результаты исследований, полученные по 11 профилям, секущим зону Таласо-
Ферганского разлома и Линии Николаева, основанные на качественном анализе исходных данных: тензора импеданса, матрицы Визе-Паркинсона, а также ориентированных кривых кажущегося сопротивления.
В четвертой главе представлены основные результаты исследований, полученные автором в процессе интерпретации данных МТЗ и МВЗ, дана подробная характеристика методики последовательных инверсий, адаптированной автором к реальным условиям и положенной в основу интерпретации данных в этой работе.
Пятая глава содержит обобщение результатов магнитотеллурического и магнитовариационного зондирования в корреляции с данными о современных движениях земной коры, сейсмичности, данными палеомагнитного метода, кайнозойской тектонике и геодинамике Тянь-Шаня.
Работа выполнена в Лаборатории глубинных магнитотеллурических исследований Научной Станции, созданной бессменным руководителем Ю.А. Трапезниковым. Он отдал слишком много сил для преодоления разного рода бюрократических барьеров, не щадя при этом своего здоровья. И теперь его нет с нами... Редкостной души человек, прирожденный лидер, оптимист и романтик - он был и остается примером бескомпромиссного служения науке, которая являлась главным делом его жизни. Им был пройден прекрасный путь созидателя, благодаря уникальной способности организовать, убедить и зажечь, ему удалось создать не только Фрунзенский прогностический полигон, но и крепкий коллектив, который объединяют не только научные исследования. Для полигона явилось огромной удачей иметь такого создателя - поэтому полигону удалось не только выжить, но и получить дальнейшее развитие в качестве Международного Научно - Исследовательского Центра (Геодинамический Полигон - МНИЦ-ГП). Появление этой работы во многом дань глубокого уважения и желание продолжить дело, начатое Юрием Андреевичем.
За ценные консультации и постоянную поддержку, во многом облегчившие работу над диссертацией, автор выражает глубочайшую признательность доктору геолого-минералогических наук В.И. Макарову. Автор считает своим долгом поблагодарить профессора М.Н. Бердичевского за постоянное внимание, участие и поддержку магнитотеллурических исследований в Научной станции РАН. Автор искренне благодарен академику Фридману A.M. за многолетнее творческое сотрудничество с Научной станцией РАН. Автор считает своим приятным долгом
поблагодарить академика А.Б. Бакирова за оказанную поддержку и консультации. Работа выполнена под научным руководством доктора геолого-минералогических наук М.М. Буслова, чей большой опыт и творческое общение было очень важным, и автор искренне благодарен за постоянное внимание с его стороны. Особую признательность автор выражает к.ф.-м.н. А.К.Рыбину и к.г.-м.н. Баталеву В.Ю., частые, а нередко и горячие дискуссии с которыми при обсуждении вопросов, касающихся распределения электропроводности в литосфере Тянь-Шаня и современной геодинамической обстановки, создавали творческую атмосферу и являлись стимулом для дальнейших исследований.
Автор благодарен руководителям Научной Станции и МНИЦ ГП В.А. Зейгарнику, Г.Г. Щелочкову и Л.М. Богомолову за неизменную поддержку и внимание к тематике глубинных электромагнитных исследований. Автор считает своим долгом выразить самую искреннюю признательность своим коллегам А.В. Аладьеву, В.Ю.Баталеву, В.Д.Брагину, П.В.Ильичеву, Л.Н.Лосихину, Е.К.Матюкову, В.Е. Маткжову, В.А.Пазникову, П.П.Петрову, А.К.Рыбину, И.В. Сафронову, Г.Н.Тимонину, Д.Е.Черненко за помощь в проведении совместных геофизических работ.
Таласо-Ферганский разлом
Таласо-Ферганский разлом один из крупнейших сдвигов Евразии, он протягивается более чем на 400 км (по оценке некоторых исследователей до 1 500 км) в северо-западном направлении вдоль Ферганского, Атойнокского, Таласского хребтов, пересекая по диагонали горную систему Тянь-Шаня. Территория, по которой проходит Таласо-Ферганский разлом, неизменно привлекает внимание исследователей. Эволюция взглядов на строение рассматриваемого региона тесно связана с основными этапами познания геологического строения территории. В 1921 году Ф.Махачек показал на тектонической карте Тянь-Шаня южный участок разлома, затем, в 1928 году В.А. Николаевым была описана его северная часть, которая была названа Главный Таласский разлом. Позднее этот структурный шов был прослежен В.Н. Огневым в Атойнокском хребте и долине р.Карасу [Огнев, 1935]. Впервые понятие о Таласо-Ферганском разломе как о единой линии было введено в 1936 году Н.М. Синицыным, который объединил Главный Таласский разлом В.Н.Николаева и Карасуйский В.Н.Огнева в один. Получившийся тектонический шов, протяженностью более 400 км, был назван Таласо-Ферганским разломом [Пейве, 1938, Синицын, I960]. Взгляды на природу Таласо-Ферганского разлома и его роль в тектонике Тянь-Шаня делятся на два основных направления, которые основываются на принципиально различных представлениях о характере движений по этому тектоническому шву [Буртман, 1964]. Ряд исследователей считают Таласо-Ферганский разлом колоссальным сдвигом с амплитудой от 75 до 200 км. Идея о сдвиге принадлежала В.Н.Огневу, начиная с 1934 года, он развивал ее во многих своих работах [Огнев, Кушнарь, 1934; Огнев 1935, 1936, 1939 и др.].
Затем эта концепция получила развитие в работах В.А.Николаева [Николаев, 1945, 1959], который считал, что Таласо-Ферганский разлом является крупной диагональной трещиной скалывания, вдоль которой в герцинское время произошел сдвиг толщ средиепалеозоиского комплекса к северу, при этом амплитуду сдвига он оценивал примерно вдвое меньше, чем В.Н.Огнев. Немалый вклад в развитие представлений о сдвиге по Таласо-Ферганскому разлому внес Л.Б.Вонгаз [Вонгаз, 1958], основываясь на тектоническом районировании палеозойского фундамента. Он считал, что сдвиг произошел в самом конце герцинского этапа, одновременно с созданием складчатой структуры Южного Тянь-Шаня.
Идея о сдвиге по Таласо-Ферганскому разлому поддерживалась и развивалась Буртманом [Буртман, 1963, 1964], который считал на основании смещения структурно-фациальных зон среднего палеозоя, что Таласо-Ферганский разлом является крупным правосторонним сдвигом (до 200 км), а возраст заложения сдвига определяется этим исследователем как пермо-триасовый.
Точку зрения B.C. Буртмана, в отношении сдвиговой природы Таласо-Ферганского разлома разделял А.И.Суворов [Суворов, 1963,1968], однако он категорически возражал по поводу "слишком молодого" возраста разлома. Е.А. Ранцман и его коллеги [Ранцман, 1963; Ранцман, Пшенин, 1967] при геоморфологическом исследовании установили также правосторонние перемещения вдоль Таласо-Ферганского разлома с амплитудами в сотни метров - первые километры за новейший этап. Однако, если время сдвижения разными исследователями оценивается различно - от среднего палеозоя до пермо-триаса включительно, то в отношении направления сдвижения они единодушны - юго-западное крыло двигалось к северо-западу, т.е. сдвиг правый. Исследователем В.В.Галицким [Галицкий, 1940] в работах по Таласо-Ферганскому разлому, выполненных в его северной части, было установлено левостороннее сдвиговое смещение, которое никак не увязывается с правосторонним смещением южной части и заставляет усомниться в существовании единого дизъюнктивного нарушения вообще.
Согласно другой концепции Таласо-Ферганский разлом расценивается как сброс, дизкорданогенный разлом, краевой разлом (длительно развивающийся крутопадающий дизъюнктив, разграничивающий тектонические зоны с различным режимом тектонических движений). Представления о рассматриваемом разломе как о крупном сбросе большой амплитуды придерживался В.Г. Мухин, который изучал северный участок Таласо-Ферганского разлома. Однако этому представлению соответствовал лишь исследуемый участок тектонического шва, в отношении же разлома в целом оно непригодно.
Эту ситуацию пытался объяснить В.И.Попов [Попов, 1938], который предположил, что происходило длительное развитие разлома на границе различных седиментационных провинций. Немалый вклад внес в изучение Таласо-Ферганского разлома и прилегающей к нему территории Н.М.Синицын [Синицын, 1948, 1960]. Он считал, что Таласо-Ферганский разлом является сбросом очень большой амплитуды, по которому происходили попеременные опускания и поднятия крыльев разлома, что и обусловило их различное строение.
В своей монографии Н.М.Синицын [Синицын, 1960] изложил концепцию о краевых разломах и привел доказательства краевого характера Таласо-Ферганского разлома, который длительно развивался в палеозое - мезо-кайнозое и оказывал контролирующее влияние на распределение мощностей, конфигурацию прогибов, поднятий и складчатых зон.
Похожая точка зрения на природу Таласо-Ферганского разлома у А.Е.Довжикова [Довжиков, 1960], следует также отметить и то, что он указал на разновозрастность участков Таласо-Ферганского разлома. Он считал, что разлом образовался путем постепенного наращивания участков в направлении с севера на юг. Самая древняя часть разлома - Таласское звено или северо-западная часть Линии Николаева (нижний палеозой). Южный участок рассматриваемого тектонического шва образовался в конце триаса — начале юры. осадконакопления и контролировал первичное распределение фаций среднепалеозойских отложений.
Анализируя положение Таласо-Ферганского разлома в структуре Среднеазиатского орогена, Н.П. Костенко [Костенко, 1972], а следом за ним и О.К.Чедия [Чедия, 1986], называют его трансорогенным разломом.
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что исследователи Таласо-Ферганского разлома делят его на несколько участков, звеньев или сегментов, что, прежде всего, обусловлено различием их структурного положения, а также различием поведения на новейшем этапе. На всех космических снимках Таласо-Ферганский разлом отчетливо делится на три участка [Кнауф, 1981; Юдахин, 1983]. Первый из них прослеживается от гор Каратау до Сандалаша. Второй с небольшим смещением к северо-востоку кулисно подставляет предыдущий и прослеживается до оз.Капкаташ. Здесь он виргирует: одна из его ветвей, отклоняясь к северу, уходит в известняковый массив Кекерима и далее не просматривается. Третий отрезок начинается в 10-15 км юго-восточнее перевала Куровес и, отклоняясь все более к югу, уходит за пределы территории Киргизской Республики.Таласское звено разлома является северозападным участком Линии Николаева, которая разделяет каледониды и герциниды Тянь-Шаня. Для этого участка тектонического шва характерно отсутствие новейших сдвиговых перемещений.
Гравитационное поле
Поле аномалий силы тяжести Киргизского Тянь-Шаня обусловлено суммарным влиянием плотностных неоднородностей, расположенных на различной глубине (рис.2.1). Основными причинами таких неоднородностей является различная плотность подкорового вещества, петрографические неоднородности, мощность земной коры, рельеф. Построению плотностных моделей земной коры Тянь-Шаня посвящены многие работы [Таль-Вирский,1983; Юдахин,1983; Лобанченко, 1988; Брагин,2001]. Эти модели позволяли в рамках общепринятых подходов объяснить основные особенности распределения силы тяжести в регионе и способствовали тектоническому районированию.
Вклад мощности коры в создание отрицательного гравитационного эффекта составляет от 53 до 66 %. Плотность нормальной мантии больше плотности разуплотненной на 0,2 г/см3 [Юдахин и др., 1991]. С точки зрения изостазии, вес этого горного сооружения компенсируется прежде всего выталкивающей силой его глубоких корней, погруженных в маловязкую разогретую мантию. Восточная часть Тянь-Шаня, которая сжата в значительно меньшей степени, чем западная [Юдахин, 1986], расползается к северу и к югу.
На севере Тянь-Шань надвигается на Казахский щит, на юге - на Таримскую плиту. Центральный Тянь-Шань проседает, вызывая при этом разупрочнение земной коры. На фоне регионального поля силы тяжести выделяются положительные и отрицательные гравитационные аномалии, положение и конфигурация которых обусловлены плотностными неоднородностями земной коры. Зоны высоких горизонтальных градиентов поля тяжести различных порядков отражают местоположение и простирание Таласо-Ферганского разлома, западной части Линии Николаева и некоторых других крупных тектонических нарушений. Таласо-Ферганскому разлому соответствует полоса отрицательных аномалий северо-западного простирания, дискордантно рассекающая аномалии северо-восточного направления.
Наблюдается корреляция мощности корового проводника (электропроводящего слоя) с данными гравиметрических наблюдений [Брагин и др., 2001], что является логическим подтверждением разуплотнения нижней части коры.
По данным Ф.Н.Юдахина [Юдахин, 1983], на территории Киргизского Тянь-Шаня выделяются три области — Северо-Тяньшаньская, Центрально-Тяньшаньская и Ферганская, имеющие различный характер магнитного поля. Границы между областями аномального магнитного поля совпадают с крупными региональными глубинными разломами, четко трассируемыми по особенностям магнитного поля -«важнейшей структурной линией Тянь-Шаня» - Линией Николаева и Таласо-Ферганским разломом.
Линия Николаева проявляется в виде линейно вытянутых отрицательных магнитных аномалий, рассекающей верхнеордовикский массив граносиенитов. Интрузивный массив характеризуется сложно дифференцированными отрицательными магнитными полями, на фоне которых проявляются, упорядочено вытянутые минимумы, которые соответствуют Линии Николаева. Северо-Тяньшаньская аномальная область характеризуется резко изменяющимся знакопеременным магнитным полем. Отмечено некоторое преобладание отрицательных полей. Положительные поля распределены неравномерно, сконцентрированы в группы. Южной границей зоны является Линия Николаева.
Границами Центрально-Тяньшаньской аномальной области служат главные региональные разломы района: на севере - Линия Николаева, на западе - Таласо-Ферганский разлом. Эта область характеризуется слабым отрицательным магнитным полем, с отдельными положительными аномалиями (Нарынская, Аксайская впадины). По цепочке линейно вытянутых положительных аномалий, которым соответствуют герцинские интрузивные тела, уверенно прослеживается Атбаши-Иныльчекский разлом. Границей Ферганской аномальной области с северо-востока является Таласо-Ферганский разлом. По характеру поведения магнитного поля в данной области выделяется 5 зон. Таласо-Ферганский разлом находит свое четкое выражение, как при районировании магнитного поля, так и при пересчете на высоту 50 км.
Детальные исследования скоростной структуры земной коры Тянь-Шаня с применением методов сейсмической томографии были начаты в конце 80-х годов прошлого века, когда появилась возможность использования многочисленных записей землетрясений, полученных за длительный срок функционирования сейсмических станций на территории Киргизии и прилегающих к ней районов [Roecker S.W. at al.,1993]. Первая модель трехмерного скоростного строения земной коры Тянь-Шаня была построена в 1993 году на основе базы данных, зарегистрированных 117 сейсмостаициями. В ней наиболее детально и достоверно промоделированы районы Северного Тянь-Шаня и часть Южного, расположенная к юго-западу от Таласо-Ферганского разлома, благодаря большому количеству в разной ориентации пересекающих эти районы трасс от местных землетрясений. Оценка достоверности полученной скоростной модели проводилась путем сравнения сейсмотомографических схем, составленных для одних и тех же областей Тянь-Шаня при использовании различных алгоритмов и при сопоставлении с результатами работ, полученных другими геофизическими методами. На основе интерпретации построенной модели сделаны выводы об отсутствии единых резких скоростных границ большой протяженности внутри земной коры, о существовании различных ее типов в пределах исследуемой территории, о наличии широкого спектра скоростей сейсмических волн в каждом слое, о проявлении инверсионных слоев (волноводов) и их широком развитии в нижнекоровом слое. Наряду с волноводами в земной коре Тянь-Шаня широко развиты зоны повышенных скоростей сейсмических волн [Сабитова, 2001]. В этой модели (рис.2.3.) в скоростном поле на разных глубинах (до 50 км) находит отражение Таласо-Ферганский разлом, который служит своеобразной границей между высокоскоростным полем (Vp = 6,4 км/с) к юго-западу от него и менее скоростным к северо-востоку.
Пространственная характеристика тензора импеданса
Зависимость компонент тензора от направления можно изобразить графически - с помощью полярных диаграмм. Метод полярных диаграмм в магнитотеллурике предложен и разработан М.Н.Бердичевским [Бердичевский, 1981], [Бердичевский и др., 1993], [Электроразведка, 1986] . Построение полярных диаграмм позволяет определять геометрические характеристики структур и их электрическую размерность. Ввиду того, что в исследуемом районе имеются геоэлектрические структуры, соответствующие крупным разломам, блокам земной коры с контрастными значениями электрических свойств и произвольным простиранием, постараемся оценить вклад каждой из них в формирование МТ-поля, которое наблюдается на поверхности.
Результаты обработки совместных измерений МТ-24 (синие квадраты) и МТ-ПИК (красные треугольники). Кривые модулей и фаз импедансов: А) - модуль импеданса Zxy; Б) - модуль импеданса Zyx; В) - фаза импеданса Zxy; Г) - фаза импеданса Zyx. Рис. 3.2 Схема расположения профилей МТЗ секущих зону Таласо-Ферганского разлома и Линию Николаева. 1 - пункты МТЗ, 2 - граница Киргизстана, 3 - крупные разломы: ТФ - Таласо-Ферганский, ЛН- Линия Николаева, АИ- Атбаши-Иныльчекский. Рассмотрим поведение полярных диаграмм на разных периодах по каждому профилю, секущему исследуемые разломные зоны - Таласо-Ферганскую и Линию Николаева.
На рис.3.3.(а) показаны полярные диаграммы по Таласскому профилю на периоде 0,1 с. Поскольку, именно на этом периоде максимально проявляется влияние приповерхностных неоднородностей, то в поведении полярных диаграмм наблюдается некоторая хаотичность. Однако для большинства пунктов полярные диаграммы являются слабо вытянутыми эллипсами и лишь на нескольких пунктах наблюдаются полярные диаграммы, приближающиеся по форме к восьмеркам. Ориентация больших осей полярных диаграмм произвольна, но большая часть пунктов наблюдения характеризуется вытянутостью полярных диаграмм с северо-запада на юго-восток. Это указывает на то, что пункты МТЗ располагаются в достаточно благоприятных для МТЗ приповерхностных условиях. Лишь в пунктах зондирований 390, 315, 425, 424 в верхней части разреза наблюдаются резкие геоэлектрические неоднородности. На рис. 3.3.(6, в, г) показаны полярные диаграммы по Таласскому профилю (VI-VI) на периодах Т= 10 с, Т = 100сиТ= 1600 с. Характерной особенностью полярных диаграмм на этих периодах является устойчивая диагональная (СЗ-ЮВ) ориентация. Форма полярных диаграмм видоизменяется от пережатых эллипсов до восьмерок. Исключением является лишь пункт 396, который расположен в приосевой части восточного замыкания Ферганской впадины, форма диаграмм - слегка вытянутый эллипс даже на низких частотах. Диагональная СЗ-ЮВ ориентация полярных диаграмм характерна и для самых южных пунктов зондирований Таласского профиля - пп.423, 424, 422, 425, расположенных в 150-160 км от зоны Таласо-Ферганского разлома. Причем эта ориентация присуща для всего диапазона периодов от 10 до 1600 с. Это может быть связано с влиянием приповерхностных структур, поскольку полярные диаграммы указанных выше пунктов уже на периоде 0,06 с отражают резкую неоднородность свойств среды, влияние от которой передается и на более низкие частоты. Импедансные полярные диаграммы Zyy для периодов: 0.1, 10, 100, 1600с, полученные на региональном профиле (VI-VI). Цифрами в центре полярных диаграмм показаны номера пунктов МТЗ. При анализе полярных диаграмм дополнительных импедансов Zyyl и аргументов импеданса ArgZxy закономерности их поведения, как в случае I Zxyl, не проявляются (рис.3.4).
Наиболее часто встречающаяся форма полярных диаграмм Zyy для Таласского профиля - четырехлепестковая (цветки), иногда - в виде восьмерок, а диаграммы аргумента напоминают по форме пережатые или симметрично деформированные эллипсы. Выделить закономерности в поведении полярных диаграмм I Zyyl и ArgZxy по профилю не удается, их ориентация, как в зависимости от расстояния до зоны Таласо-Ферганского разлома, так и для разных периодов производит впечатление беспорядочной. Скорее всего, это обусловлено тем, что, как известно из опыта, точность определения основных импедансов Zxy, Zyx значительно выше, чем дополнительных импедансов Zxx и Zyy и фаз. Однако, при этом необходимо учитывать и возможное влияние локальных трехмерных неоднородностей, которые очевидно вносят и свой вклад в «хаотичность» поведения рассматриваемых полярных диаграмм I Zyyl и ArgZxy в то время как поведение полярных диаграмм I Zxyl достаточно устойчиво и закономерно.
Описание полярных диаграмм для других профилей, секущих Таласо-Ферганский разлом, можно свести для краткости к их сравнению с диаграммами по Таласскому профилю. Как видно из рисунков (рис. 3.5, 3.6., 3.7., 3.8., 3.9.), полярные импедансные диаграммы для Торкентского, Капкаташского, Кекиримского профилей и Алайку-Арпинского участка имеют те же особенности, что и для Таласского профиля: 1) устойчивая диагональная СЗ-ЮВ ориентация подавляющего большинства полярных диаграмм I Zxyl по всем профилям и по всем периодам от Т = 10 с до Т = 1600 с до расстояния около 140 км от Таласо-Ферганского разлома. 2) для короткопериодного интервала МТ-данных Т =0,1 с до Т = 10 с повсеместно наблюдается некоторая хаотичность в ориентации вытянутых осей полярных диаграмм. Это обусловлено влиянием приповерхностных неоднородностей - "геологического шума", а диаграммы имеют форму эллипса, с небольшой степенью вытянутости. 3) в ориентации полярных диаграмм дополнительных импедансов I Zyy I и фазовых полярных диаграмм ArgZxy по всем профилям и для всего диапазона периодов закономерностей не наблюдается.
Трехуровневый алгоритм двумерной инверсии MB и МТ-данных
Опыт проведения МТ и МВ-исследований в горах Киргизского Тянь-Шаня показывает, что традиционная схема интерпретации может быть существенно улучшена. Для этого предлагается воспользоваться свойством низкочастотного магнитного поля не зависеть от влияния приповерхностных неоднородностей. Таким образом, становится возможным избежать драматических искажений, вызванных структурами в верхней части разреза.
На основе этой идеи создан трехуровневый алгоритм двумерной инверсии MB и МТ-данных [Рыбин, 2001]. Алгоритм инверсии использует ТЕ- и ТМ- моды и учитывает их различную чувствительность к приповерхностным и глубинным структурам.
Свобода в выборе весов W ,v/2 позволяет нам контролировать вклад реальной и мнимой частей поперечной компоненты Визе-Паркинсона для различных частотных диапазонов измерений. Увеличивая веса wi,W2 с ростом периода вариаций, мы усиливаем влияние глубинных структур. А выбрав wi v/2, мы подчеркиваем вклад реальной части индукционного вектора, связанный с влиянием активных избыточных токов. Завершая итерационный цикл на Уровне 1, мы получаем итоговую модель ai(x,z), которая передается на Уровень 2 и служит опорной моделью для коррекции статических смещений продольных кривых кажущегося сопротивления.
Выбирая различные значения весовых коэффициентов wi ,W2 мы можем контролировать вклад различных участков МТ-кривых в различных частях профиля. Так, целесообразно увеличивать значения весов wi,W2 с ростом периода вариаций (подчеркивая этим влияние глубинных структур). Приняв W2 wi, мы в значительной мере подавляем ошибки в кажущемся сопротивлении, связанные с неточностью коррекции статического смещения. Завершая инверсию на этом этапе, мы получаем итоговую модель a2(x,z), характеризующую глубинную часть исследуемой среды. Эта модель служит стартовой моделью на Уровне 3.
Этот трехуровневый алгоритм двумерной инверсии MB и МТ-данных [Рыбин, 2001] положен в основу расчета моделей геоэлектрического строения земной коры Киргизского Тянь-Шаня по 5 региональным профилям и серии локальных профилей (рис.3.2.), с целью определения морфологии корового проводящего слоя. Магнитовариационный трехуровневый алгоритм 2-D инверсии был использован для интерпретации MB и МТ-данных по 3 локальным профилям, секущих зону Таласо-Ферганского разлома. С помощью 2-D инверсии поперечных кривых МТЗ в зоне Таласо-Ферганского разлома проведены исследования эффекта вытеснения поперечного тока и обнаружена резкая смена характеристик - «разрыв сплошности» корового проводника, происходящая по Таласо-Ферганскому разлому [Баталев, 2002].
Блок-схема алгоритмов 2-D инверсии. а - магнитовариационного трехуровневого алгоритма: SM - стартовая модель уровня, RM - результирующая модель уровня, МФ - минимизация Тихоновского функционала, М - невязки; б — методики последовательных частичных инверсий. геоэлектрической структурой и наложенными на нее областями конечного размера ("окнами сканирования") с произвольным распределением "аномальной" электропроводности [Варенцов, 2002]. Аномальная структура в каждом таком окне описывается множеством ячеек инверсии с корреляционно связанными параметрами среды (значениями сопротивления). При этом не накладываются явные ограничения на характер гладкости пространственного изменения геоэлектрических параметров в заданных окнах и, таким образом, создаются предпосылки разрешения как разрывных, так и гладких структур.
Следует отметить, что для построения региональных геоэлектрических моделей Тянь-Шаня до последнего времени использовалась программа INV2D-FG тех же авторов, но с возможностью аппроксимации исследуемой неоднородной среды кусочно-однородной средой, состоящей только из 40 фиксированных прямоугольных блоков с заданными (20 блоков) и оптимизируемыми (20 блоков) сопротивлениями. Программа II2DC позволяет оптимизировать модели, содержащие до 1000 блоков фиксированной геометрии. Это обстоятельство весьма существенно для построения детальной геоэлектрической модели вдоль Таласского профиля, секущего зону Таласо-Ферганского разлома.
Основные трудности при проведении количественной интерпретации всего набора данных МТЗ и МВЗ в рамках двумерных моделей связаны, прежде всего, с сильными искажениями электромагнитного поля Земли в горных районах. Эти искажения практически всегда носят характер шума, так как масштабы искажающих неоднородностей имеют очень широкий спектр, и по этой причине специально поставленные, локальные электромагнитные исследования, которые в условиях других регионов могли бы обеспечить поправки для учета искажений, здесь мало эффективны. В создавшейся ситуации лучшее решение - это использовать возможности для инверсии фазы импеданса и результаты МВ-зондирований, основанных на изучении вариаций трех компонент магнитного поля Земли.
Замечательное свойство фаз импеданса и результатов МВЗ заключается в том, что эти компоненты МТ данных на низких частотах свободны от искажающего влияния приповерхностных неоднородностей [Бердичевский и др., 1997]. В то время как глубинная МТ информация, полученная на основе регистрации вариаций горизонтальных компонент электрического и магнитного полей, зачастую сильно искажена из-за высокой чувствительности электрического поля к приповерхностным горизонтальным неоднородностям. Отсюда возникла идея использования этого свойства низкочастотных МВ-данных и фаз импеданса для интерпретации сильно искаженной МТ - информации в геоэлектрических условиях Тянь-Шаня.
